Manoel F M Nogueira-Caracterizacao Biomassa

Universidade Federal do ParCentro TecnolgicoDepartamento de Engenharia MecnicaGrupo de Energia, Biomassa & Meio Ambiente

I ESCOLA DE COMBUSTO

BIOMASSA ENERGTICA: Caracterizao de Biomassa

MANOEL FERNANDES MARTINS [email protected]

Florianpolis SCJunho-2007

EBMAENERGIA, BIOMASSA &

MEIO AMBIENTEEstrutura de biomassa vegetal


MEIO AMBIENTEEsquema global da combusto de slidos

NONCONDENSIBLE VOLATILES (CO, CO2, CO4, NH2, H2O, etc.)

GASEOUS ORGANICEMISSIONS

(i.e. CO, HCs, PAHs)

PARTICULATES(inerts, condensation products, solid

carbon products)OXIDATION PRODUCTS

(i.e. CO2, H2O, O2, H2, NOx)

UNBURNEDCARBON

HEAT WATER VAPOR

REACTIONS

HEAT

HEAT

AIR

HEAT

AIR

HEAT

SOLIDSVOLATILES

COLDREGION

INERTS

SOLID PARTICLE

SOLID PARTICLE

REACTIVE CHAR

REACTION SEQUENCE

HEATING ANDDRYING

SOLID PARTICLEPYROLYSIS

OXIDATION(LEFT AND CENTER IS GAS PHASE REGION; RICHT IS

GAS-SOLIDS REGION

POST COMBUSTION

CONDENSIBLE VOLATILES(i.e. C6 C20 compounds)

RADICALS, FRAGMENTS & PARTIALLY OXIDIZED

COMPOUNDS


MEIO AMBIENTECaracterizao Energtica de Biomassa - CEB

Anlise Imediata: % mssica em base seca ou mida, c/ ou s/ cinza Umidade, volteis, carbono fixo, cinzas

Anlise elementar: % mssica C, H, N, S e O

Anlise somativa: % mssica Celulose, hemi-celulose, lignina e outras

Composio das cinzas: % mssica K, Na, Ca, Mg, P, Si, Fe

Poder calorfico: (kJ/kg)

Outras propriedades termo-fsicas: Condutividade trmica (kJ/m-K), calor especfico (kJ/kg-K), fusibilidade das

cinzas (K), densidade a granel (kg/m3), massa especfica (kg/m3), porosidade (%), dimenses e formatos, ngulo de repouso.


MEIO AMBIENTECaracterizao Energtica de Biomassa - CEB

Anlise imediata, elementar e poder calorfico


MEIO AMBIENTECaract. Ener. Bio: Anlise imediata

Volteis Cinzas Carbono fixo

Casca de arroz 63,6 20,6 15,8

Fibra de coco

70,60 4,7314 24,67

Caroo de aa 79,44 1,1057 19,45

T oC 500

Base seca em % mssica

Entre os volteis esto alcatro e leo que condensam entre 120-150 C


MEIO AMBIENTE

A anlise imediataumidade (M);percentual de voltil (VM);cinza (UM); carbono fixo (C).

Usando testes segundo as normas da ASTM - American Society for Testing Materials.

o A Umidade quantificada pela perda de peso observada a 110C.

o O percentual de voltil obtido atravs de aquecimento lento para 950C, onde a amostra pesada novamente.

Caract. Ener. Bio: Anlise imediata


MEIO AMBIENTE

Amostragem e Preparao das Amostras NBR 6923 (Carvo Vegetal Amostragem e Preparao da

Amostra).

Figura 1 Triturador de amostras (a) Fechado (b) Detalhe local de colocao da amostra



MEIO AMBIENTE

Determinao do Teor de Volteis. NBR 8112 (Carvo Vegetal Anlise Imediata). A

aparelhagem e materiais utilizados foram:o Forno (mufla vertical) com temperatura controlada at 1100 C

Mod. VMF / ASTM (Carbolite) Figura 3;o Balana analtica com sensibilidade de 0,001 g;


Figura Forno mufla vertical


MEIO AMBIENTE

Determinao do Teor de Cinzas e Carbono Fixo NBR 8112 (Carvo Vegetal Anlise Imediata). A aparelhagem e

materiais utilizados foram: Forno (mufla horizontal) com temperatura controlada at 1100 C

(Modelo AAF 1100 Carbolite). Balana analtica com sensibilidade de 0,001 g;

Figura Forno mufla horizontal



MEIO AMBIENTE

Propriedades das Biomassas

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43

Espcies

Teor

de

Vol

teis

e C

arbo

no F

ixo

(%)

0,00

1000,00

2000,00

3000,00

4000,00

5000,00

6000,00

Pode

r Cal

orfi

co (k

cal/k

g)

Poder Calorf ico Teor de Volteis Teor de Carbono Fixo

CEB: Anlise imediata


MEIO AMBIENTE

ID Nome Comercial Nome cientfico: PCS (kcal/kg) Carbono Fixo (%) Volteis (%) Cinzas (%) DG (kg/m3)

1 Acapu 4944,30 20,91 78,72 0,3745 250

2 Andiroba Carapa guianensis Aubl. 4720,67 10,14 89,86 0,0002 290

3 Angelim 4183,33 15,13 70,01 14,8550 280

4 Angelim Pedra Hymenolobium spp. 4739,40 17,15 81,56 1,2977 265

5 Angelim vermelho Dinizia excelsa 4881,00 20,34 79,61 0,0457 250

6 Bambu 4533,67 17,78 81,34 0,8777 267

7 Breo 4756,20 14,19 85,62 0,1900 259

8 Buchas trituradas de dend 4142,40 15,23 72,86 9,9105 298

9 Cacho seco de amndoa 4622,67 16,60 80,55 2,8533 200

10 Caroo de aa NT 4576,00 19,45 79,44 1,1057 240

11 Casca de amndoa 5308,33 20,66 77,73 1,6106 220

12 Casca de palmito 3864,67 18,00 76,14 5,8642 240

13Cascas de castanha do

Par 4843,60 27,07 71,04 1,8823 240

14 Cascas de nozes 5039,00 22,49 75,86 1,6515 260

15 Cedro 4827,20 15,27 84,63 0,1031 249

16 Copaba Copaifera spp. 4755,00 9,05 90,87 0,0847 250

17 Cumaru Dipteryx odorata 4810,30 13,29 86,65 0,0658 270

18 Falso Pau-Brasil 5257,20 21,42 78,39 0,1874 220

19 Fibra de coco 4458,33 24,67 70,60 4,7314 282

20 Fibra de dend 3953,18 19,59 76,21 4,2005 200

21 Garapa 4463,00 18,33 78,51 3,1655 200

22 Jatob Hymenaea courbaril 4636,60 19,99 79,63 0,3808 200

23 Louro-Faia Euplassa spp. 4710,00 17,75 82,04 0,2106 230


MEIO AMBIENTE

A anlise elementar d a composio qumica, e o poder calorfico superior (PCS) dos combustveis. A anlise qumica normalmente lista o carbono, hidrognio, oxignio, nitrognio, enxofre, e percentual de cinza do combustvel em base seca.

CEB: Anlise elementar


MEIO AMBIENTE

C, H, N, S e por diferena O: Cuidado com a umidade acrescenta H e O base seca

Ex: madeira C3,3-4,9H5,1-7,2O2,0-3,1


C H N S O CinzasCasca de arroz

38,3 4,4 0,83 0,06 35,5 21

Pinheiro 59 7,2 - 32,7 1,13

Caroo de aai

46 6,0 0,8 - 46,0 1,2

Populao H/C aproximadamente 1,5 e de O/C de aproximadamente 0,6

O resultado da anlise elementar permite calcular o poder calorfico superior e inferior


MEIO AMBIENTE

Exemplo de resultado da anlise elementar



MEIO AMBIENTE

Exemplo de resultado da anlise elementar

Combustveis Slidos:

Anlise do combustvel de biomassa Combustveis Slidos:

Anlise do combustvel de biomassa


MEIO AMBIENTECEB: Anlise somativa

b.m.s

mole dura

Celulose C6H10O5 45-50 40-35

Hemi-celulose C5H8O4 25-35 24-40

Lignina C9H10(OCH3)0,9-1,7 25-35 18-25

Celulose

Carvo+H2O+CO+CO2+etc

Alcatro

Volteis

200 2

80 C

280 340 C


MEIO AMBIENTE

O Poder Calorfico Superior - PCS do combustvel determinado reagindo o combustvel com oxignio em um calormetro e medindo o calor liberado a uma quantidade conhecida de gua. O calor libertado durante este procedimento representa a quantidade mxima de energia que pode ser obtida da transferncia de calor do combustvel.

NBR 8633 (Carvo Vegetal Determinao do Poder Calorfico).

Figura 2 Bomba calorimtrica digital (Modelo C2000 Control, Ike Werke)

CEB: Poder calorfico


MEIO AMBIENTECEB: Poder calorfico

Lquidos nos produtos inconveniente. Ter vapor de gua nos produtos reduz a quantidade de calor de reao pois o

calor latente de vaporizao no liberado.

Combustvel +

Oxidante

mcomb P T umid.

CO2 + H2O + N2+ Cinzas

mcinzas P T

COMBUSTO

Calor de ReaoQR [kJ]

= kJ

kgR

comb comb

QPCSm

Na base seca uma propriedade [HHV - GCV]

( )= = 2 ,,

H O PR V

comb comb R

mQPCI PCS L Pm m

QCV = calor latente, energia necessria para mudana de fase funo da presso= mH2O*L [L = entalpia de vaporizao]

[LHV - NCV]

PCI depende da umidade da biomassa

QR-V=Qr - Qcv



Bomba calorimtrica (adiabtico volume constante)

Anlise elementar [kJ/kg] (C, H, O, S em % massa, b.s.)PCS = - 8419,7 + 479,3 C + 667,6 H + 58,8 O 1207,7 SPCI = PCS[1-w/100] 2,447*w/100 2,447*H/100*9,01[1-w/100]

PCS kJ/kgBC Eq.

Casca de arroz 12600 12700Pinheiro 25000 25334Caroo de aa 19100 19084

C - percentual de carbono, H - percentual de hidrognio,S percentual de enxofre,O - percentual de oxignioW percentual de umidade


MEIO AMBIENTEExemplo:

kmol kmolkg

kg %

C 6 x 12 = 72 = 44,4 H 10 x 1 = 10 = 6,2 O 16 x 5 = 80 = 49,4

162 100

seca Celulose 5106 OHC

Bomba Calorimtrica: 19,9 MJ/kg

Pela anlise elementar

PCS = -8419,7 + 479,3 x 44,4 + 667,6 x 6,2 + 58,8 x 49,4 - 1207,7 x 0

PCS = 19,9 MJ/kg


MEIO AMBIENTEExemplo:

OHcelulose kgkg 29018x5162 =

kgMJPCI 18,652,258 x

16290-9,19 ==

( )ucomb

umidOHcombOH

ucomb

scomb

mLmm

PCSmm

PCI,

,,

,

, 22 x

+=

seca Celulose 5106 OHC

Se celulose est com 30% de umidade:

OHH 2 :Assumindo

=10030101,9x

1006,2x447,2

10030x447,2

100301PCSPCI

kgMJPCI 23,12=

kgMJPCI 65,18=



PCI decresce com o aumento do teor de umidade.

Teores de umidade acima de 70% inibem chama.


MEIO AMBIENTECEB composio das cinzas

SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3 (95%) Aumento de teor de cinzas, reduz PCS Cinza pode derreter formando escoria lquida:

Sequncia: Amolece Fundi Flui Solidifica Consequncia: Obstruo, isolamento, cobrimento.

Ca, Mg Facilita o derretimiento das cinzas K dificulta Cl, S, K, Na Promotores de corroso (gases corrosivos, condensaveis

100 150 C)

Cd e Zn Problemas ambientais


MEIO AMBIENTECEB temperatura de fuso de cinzas

Sintering temp. [C]

Softening temp. [C]

Hemisphere temp. [C]

Melting temp. [C]

Number of samples

Wood (beech, Austria) 1140 1260 1310 1340 1

Wood (spruce, Austria) 1110 - 1340 1410 - 1640 1630 - >1700 >1700 3

Bark (spruce, Austria) 1250 - 1390 1320 - 1680 1340 - >1700 1410 - >1700 3

Bark + mineral impurities (spruce, Austria) 1020 1100 >1700 >1700 1

Miscanthus (Austria) 820 - 980 820 - 1160 960 - 1290 1050 - 1270 27

Miscanthus (Switzerland) - 980 1210 1320 n.s.

Straw (winter wheat, Austria) 800 - 860 860 - 900 1040 - 1130 1080 - 1220 3

Straw (winter wheat, Switzerl) - 910 1150 1290 n.s.

Cereals (winter wheat, Austria) 970 - 1010 1020 1120 - 1170 1180 - 1220 3

Grass (Austria) 890 - 980 960 - 1020 1040 - 1100 1140 - 1170 3

Grass (Germany) 830 - 1130 950 -1230 1030 - 1280 1100 - 1330 9

Grass (Switzerland) - 960 1040 1120 n.s.


MEIO AMBIENTECEB composio das cinzas

ElementGuiding

concentration in the fuel (wt% on d.b.)

Limiting parameter

Outside guiding concentration ranges,

problems can occur for

Technological possibilities for reducing to guiding ranges

N


MEIO AMBIENTECEB: Outras propriedades

Densidade granel: massa da biomassa / volume biomassa Define logstica a ser aplicada: transporte, armazenamento. NBR 6922 (Ensaios Fsicos Determinao da Massa Especfica).

o Balana com capacidade mxima igual 130 kg e preciso de 50 gramas;o Caixa de paredes rgidas com as seguintes dimenses internas. 600x600x600

mm, e de massa conhecida.

Condutividade trmica: define a taxa de transferncia de calor da superfcie para o interior da biomassa. Depende da umidade.

o d = densidade relativa da biomassa (mb/Vb)/(m/V)H2Oo w = umidade da biomassa

Calor especfico: define a quantidade de energia necessria para elevar a temperatura da biomassa em 1 F.

Para a madeira seca c = 0,25 + 0,0006T [BTU/lb-oF]

( ) = + +


MEIO AMBIENTEBanco de dados de biomassa

1. IEA Bioenergy: composition of fuels and asheswww.ieabioenergy-task32.com

2. BIOBIB database: resultados de anlises elementares e imediatas mais informaes sobre fusibilidade de cinzaswww.vt.tuien.ac.at

3. Phyllis: composio e dados de biomassawww.ecn.nl/phyllis


MEIO AMBIENTEReferncias Bibliogrficas

Kaupp, A. State of the art for small scale gas producer-engine systems. Golden: Biomass Energy Foundation Press

Loo, S. V. e J. Koppejan. Handbook of Biomass: Combustion and Co-Firing. Enschede: Twente University Press. 2002. 348 p.

Oliveira, A. G. D. P. e M. F. M. Nogueira. Caracterizao energtica de biomassas Amaznicas. AGRENER 2006. Campinas 2006.

Reed, T. B. Biomass themal conversion. Golden: Biomass Energy Foundation Press. 2002

Tillman, D. A. The Combustion of Solid Fuels and wastes. San Diego: Academic Press. 1991. 378 p.

Ushima, A. H. Combusto de Slidos: IPT 2005.

Documents

Manoel F M Nogueira-Caracterizacao Biomassa